人工模拟降雨装置的设计及其参数率定

[目的]针对水环境领域中地表径流的水质研究所需的降雨特点,设计了一种人工模拟降雨装置。[方法]该模拟降雨装置采用3个规格不同的喷嘴式喷头,利用不同喷头的启闭与组合实现不同雨强的模拟。[结果]经率定,此装置降雨强度可达0.3~2.0mm/min,在此范围内降雨均匀系数均在85%以上,雨滴中数直径的范围为1.09~2.25mm,最大雨滴直径不超过6mm,雨滴终点速度可达到2~2.9mm/s。[结论]该装置模拟降雨与天然降雨的相似程度较高,可用于模拟真实的降雨情况。     

槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机的雨强及其空间分布率定

人工模拟降雨机由于不受时间和空间的限制而成为研究降雨影响入渗、产流、冲刷、侵蚀产沙等动力学机理的重要试验手段。为解决我国目前降雨机模拟降雨特性与天然降雨特性相差较大的问题,设计了槽式摆喷头下喷式人工模拟降雨机。通过试验分别率定了该降雨机单喷头降雨雨强和多喷头组合降雨雨强的相关参数．以便为用户应用提供技术指标。该降雨装置在2．5m的高度下模拟的雨强范围为11．3～132．5mm／h。单喷头受雨面呈矩形,沿喷头摆动方向2．0m宽,垂直摆动方向2.7m长,受雨面积为5．4m^2。为形成均匀的雨强空间分布,需进行多喷头组合。组合实验表明,沿摆动方向的相邻喷头最佳距离为1．1m,沿垂直摆动方向的相邻喷头最佳距离为1.5～1．6m,组合后的雨强空间均匀性系数达到0．89以上。目前测试雨机的单机由5个喷头组成,相邻喷头为摆动方向,距离1.1m。用户可根据实验面积自行选择争机喷头数量和雨机数量．相邻雨机喷头间的水平距离建议为1．5～1．6m。     

SR型野外人工模拟降雨装置

SR型人工降雨装置是一种多喷头、多单元组合式的间歇降雨装置.选用目前国内外较理想的喷头,在喷头处辅以可改变喷头降水方式的机械传动装置,以间歇方式降雨来满足其降雨强度,雨滴直径大小及其分布与自然降雨相似.每个单元的有效降雨面积为2m×5m;如果4个单元组合成,其长度可增加4倍,有效降雨面积即2m×20m.装置采用轻型铝合金材料制成,结构简单,易于安装拆卸,适用于野外工作.     

TDB模拟侵蚀降雨器的研制与应用

最近研制的单喷头变雨强模拟侵蚀降雨器经过２５０余次性能检测,达到了如下技术指标：有效降雨面积２０～４０ｍ２;降雨强度与供水压力的关系为Ｉ＝１３．０１７ｐ１．４５６;降雨均为系数Ｋ≥０．８０;雨滴动能Ｅ、尺度参数α和中数直径ｄ５０％与供水压力之间的关系为Ｅ＝６．３７４ｐ０．４５９;α＝０．９１９ｐ０．２５９,ｄ５０％＝０．８５６ｐ０．２５８。辽宁省柞蚕场模拟土壤侵蚀试验证明：该设备体积小、重量轻、能耗低、安装操作方便、计算简单、性能可靠,是研究山区土壤侵蚀的理想设备     

人工模拟降雨装置在水土保持方面的应用

利用人工模拟降雨装置进行室内与野外试验已成为水土保持研究的一个重要手段。用人工模拟降雨方法可以加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等试验,避免自然因素的影响,在既定时间内迅速获得试验所需数据,顺利完成计划试验。主要介绍了我国人工模拟降雨装置在水土保持方面应用的研究近况、模拟降雨装置的主要设计技术参数,以及本实验室于2003年研制成功的Kust03-1型人工模拟降雨装置在云南山地的应用。     

YZCP型人工模拟降雨装置简介

<正>在坡面水土流失规律的研究过程中,应用径流试验小区,观测天然降雨所产生的水土流失数量,从中分析水土流失与影响因子的定量关系,建立水土流失予报方     

人工模拟降雨下汶川震区滑坡堆积体产沙规律

为明确震区滑坡堆积体坡面产沙的特点,该文采用室内人工模拟降雨试验,对不同土石比(质量比为1:1、1:2、1:4)的滑坡堆积体侵蚀产沙规律进行研究。结果表明,同一土石比不同降雨强度与同一雨强不同土石比条件下,震区滑坡堆积体产沙随时间的变化形式,为波动型和平缓型。土石比和雨强对滑坡堆积体径流含沙量有显著影响,即当滑坡堆积体土石比为1:1时,稳定产沙率随着雨强增大而增大,即2.80 g/min(1.0 mm/min)7.76 g/min(1.5 mm/min)10.84 g/min(2.0 mm/min);在土石比为1:2雨强1.0 mm/min时没有产流产沙,1.5 mm/min雨强条件下的产沙率小于雨强2.0 mm/min的产沙率;土石比为1:4的滑坡堆积体在整个试验过程中没有产流产沙。土石比与平均产沙率、累积产沙量的偏相关系数相比于雨强更大,累积径流量和累积产沙量为极显著线性关系。研究为汶川震区滑坡堆积体的水土流失预测和治理提供理论依据。     

降雨条件下地表糙度对片蚀的影响及其变化

为了进一步明确地表糙度在片蚀过程中的效应,该文通过室内人工模拟降雨的方法,就场降雨和连续降雨条件下,地表糙度对片蚀的影响及其变化进行了研究。结果表明,场降雨条件下,实施人为管理措施坡面的径流与产沙量均低于对照坡面;在雨强0.67 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与侵蚀量呈先减小、后趋于稳定的变化趋势;而在雨强1.63 mm/min条件下,随地表糙度的增加,径流量与产沙量却呈一直减小的变化趋势。在雨强0.67 mm/min条件下,耙耱地、人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度均呈减小的变化趋势,而人工锄耕坡面的地表糙度呈增加的变化趋势;在雨强1.63 mm/min条件下,人工掏挖和等高耕作坡面的地表糙度呈减小的变化趋势,人工锄耕、耙耱地坡面的地表糙度却呈增加的变化趋势;对照坡面地表糙度的变化,与耙耱地相反。连续降雨条件下,在前二次降雨作用下,坡面的径流量与产沙量随地表糙度的增加而逐渐减小,且均低于对照坡面;在第三次降雨条件下,径流与侵蚀产沙量变化较为复杂,且实施人为管理措施坡面均高于对照坡面。不同降雨条件下,实施人为管理措施坡面地表糙度对片蚀具有一定的抑制效应,且坡面片蚀的发展与地表糙度间的变化表现出相应的互动作用。该文研究结果为揭示地表糙度的侵蚀特征提供了一定的理论依据,同时也为黄土高原坡耕地的水土流失治理奠定理论基础。     

模拟降雨条件下作物植株对降雨再分配过程的影响

为系统测定玉米（Zea mays L.）、大豆（Glycine max）、谷子（Setaria italica）和冬小麦（Triticum aestivum Linn.）不同生长阶段的穿透雨、茎秆流和冠层截留,研究采用室内模拟降雨法测定了不同降雨强度、不同叶面积指数作物冠下穿透雨和茎秆流,采用喷雾法测定了作物不同生长阶段的冠层截留。对其进行了量化分析,并探讨了3者与作物叶面积指数和降雨强度的关系。结果表明：在40和80 mm/h降雨强度下降雨30 min,玉米、大豆、谷子和冬小麦冠下穿透雨率分别平均为65.15%、85.52%、80.05%和72.18%;在40和80 mm/h降雨强度下降雨10～20 min,4种茎秆流率分别平均为34.59%、13.58%、19.42%和26.34%;在0.3 mm/min喷雾强度下,作物冠层截留量相对较小,冠层截留率分别为0.26%、0.90%、0.53%和1.48%。随作物生长,穿透雨量逐渐降低,茎秆流量和冠层截留量逐渐增加。降雨强度与穿透雨量和茎秆流量呈正相关关系,但是2者占总降雨量的比例与降雨强度关系不显著（p＞0.05）。随着作物生长,穿透雨冠下空间分布由均匀逐渐趋向于不均匀,具有趋于向行中汇集的趋势。该研究揭示了黄土高原地区主要作物对降雨的再分配作用特征,可为农田水分有效利用和坡耕地土壤侵蚀防治提供理论依据。     

人工模拟降雨自动控制系统的研制

采用先进的闭环自动控制理论和技术研制了一种人工模拟降雨自动控制设备,以降雨过程的最终实际降雨参数控制和驱动降雨过程的各个降雨部件,克服了从水池到喷头之间诸多环节对降雨的随机影响。试验测试结果表明,该设备的主要性能指标优于国内外其他人工模拟降雨系统,是进行土壤侵蚀科学研究的重要实验设备。     

人工草地覆盖条件下降雨入渗影响因素的实验研究

目前关于降雨入渗的研究很少同时探讨多种因素的影响及相应的定量关系,该文在植草坡地人工模拟降雨实验基础上,分析了人工草地盖度、雨强、土壤质地等因素对黄土坡面降雨入渗规律的影响。研究结果表明：当其他条件不变时,草地盖度越大,初始和稳定入渗率更高,入渗补给系数越大。在其他条件一定时,雨强越大,初始和稳定入渗率都越大,累积入渗量和入渗补给系数也更大。同等条件下黄绵土入渗性能优于土娄土。不同雨强下,黄绵土坡面降雨入渗率可最终表示为降雨历时和草地盖度的两参数函数;土娄土入渗率和累积入渗量均可表示为时间和草地盖度的两因素函数关系;黄绵土入渗补给系数可描述为草地盖度和雨强的两因素函数关系。     

降雨及坡面径流模拟试验相似准则

目前降雨径流模拟采用佛汝德准则,模拟结果与实际相差较大。该文采用理论分析方法,通过对降雨径流过程中各作用力大小的比较,确定降雨径流试验相似准则。根据薄层均匀流流速分布,确定了流域侵蚀产沙悬移相似条件。确定出降雨过程中雨滴直径小于1.0mm,主导准则为雷诺相似准则,雨滴直径大于1.0mm,不存在相似准则。考虑正常雨滴直径变幅为0.1～3.5mm,降雨相似可由坡面径流相似主导准则韦伯相似准则确定,几何比尺宜大于10。根据试验资料,验证了相似准则的合理性和精度。该研究可为降雨及坡面径流模拟试验设计提供参考。     

南方不同类型土壤侵蚀量与降雨各因子的关系研究

根据江西省鹰潭市红壤生态实验站自建气象站1997—2003年度观测资料和该站装填我国南方主要类型土壤的侵蚀小区土壤流失量实测数据,对降雨各因子与南方不同类型土壤侵蚀量的关系进行了分析。结果表明,在径流和雨强因子下,各土壤因子关系可用乘冥函数进行拟合;而在侵蚀性降雨量因子下,各土壤因子关系可用三次函数进行拟合。但由于土壤类型和同一土壤的原始利用方式不同,各土壤侵蚀量与不同降雨因子的回归方程式差异很大。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。     

聚丙烯酰胺应用对黄土复合坡面降雨产流的影响

复合坡是自然界常见的主要坡型。通过室内人工降雨模拟试验,研究了复合坡面降雨产流规律以及聚丙烯酰胺（polyacrylamide,PAM）应用对其的影响。试验采用2种复合坡型（凹型坡和凸型坡）的12个坡度组合和4个PAM施用量,共48个试验处理。结果显示,PAM应用显著缩短了初始降雨产流时间,初始产流时间平均比对照处理提前63.7%～71.6%。PAM应用明显改变了坡面径流随降雨历时的变化规律。PAM应用后,除了大坡度（≥10°）、小量PAM应用（0.5 g/m2）的凸型坡外,降雨径流系数在整个降雨过程中基本维持稳定。PAM应用增大了降雨径流系数和径流量,且径流系数和径流量随着PAM施用量的增大而增大。凸型坡的径流量平均比凹型坡的大14.7%～31.8%。当PAM施用量为0.5、1.0和2.0 g/m2时,凹型坡和凸型坡的径流量分别比对照处理增加55.7%、100.2%、147.3%和16.6%、69.3%、108.9%。在黄土坡地上大剂量（≥1.0 g/m2）应用PAM可明显增大坡面径流量,实际应用中应制定合理的PAM施用量。     

黄土高原吕二沟流域土地利用及降雨强度对径流泥沙影响初探

在对黄土高原吕二沟流域1982—2005年侵蚀产沙资料统计计算的基础上,从流域尺度上,以次降雨径流产沙为主要研究对象,分析该地区不同降雨强度及不同土地利用情况下降雨量—径流量、径流量—输沙量的相互关系特征,并模拟相应的数学表达式。结果表明：吕二沟流域同一土地利用情况下,场降雨量和场径流量之间存在指数函数相关关系,场径流量和场产沙量之间存在幂函数相关关系;相同降雨量条件下,同样的径流量,土地利用结构得到改善的土地利用模式3能有效地减少大降雨强度条件下的土壤侵蚀量,同样的径流量,降雨强度越大,场产沙量越大。从长远来看,改善流域土地利用结构,改变流域下垫面的情况,增加森林植被覆盖度是控制黄土高原水土流失的根本措施。